Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современных технологий характеризуется широким распространением автономных объектов, способных решать различные производственные задачи при разнообразных условиях эксплуатации. Как правило, подобные объекты оснащаются автономными системами электроснабжения.
Автономные источники переменного тока стабильной частоты находят всё большее применение на подвижных объектах различного назначения и специальных установках, для которых важной задачей является получение напряжения стабильной частоты при переменной скорости вращения вала приводного двигателя. Области применения таких источников охватывают авиационные энергосистемы, в которых привод генераторов осуществляется, как правило, от авиадвигателей, скорость вращения которых может изменяться в широком диапазоне и зависит от типа самолета и режима полета. Такие источники используются на самоходных и транспортных машинах приводимые во вращение от основной силовой установки, генераторы, приводимые во вращение от ветродвигателей, генераторы пассажирских поездов на тепловой тяге, речных и морских судов, строительных и автодорожных машин, и др.
Для всех этих систем характерна переменная скорость вращения генератора, определяемая режимом работы основной силовой установки. Диапазон изменения скорости может быть 1: 4, а иногда и более.
Современные автономные установки представляют собой сложную иерархическую структуру, состоящую из большого числа подсистем и комплексов, значительная часть которых характеризуется высокой степенью автоматизации.
Применение переменного тока стабильной частоты, как основного вида питания потребителей дает ряд существенных преимуществ в отношении веса и надежности всей энергосистемы. В связи с этим требуется не только поддерживать постоянное напряжение, но и стабилизировать частоту при изменяющейся скорости вращения приводного двигателя.
В связи с этим становится целесообразным применение источников электропитания переменного тока стабильной частоты на основе машинно-вентильных систем с улучшенными свойствами.
Известно большое количество различных устройств, предназначенных для стабилизации скорости вращения генератора при переменной скорости приводного двигателя. Все эти устройства независимо от их конструктивного выполнения, составляют единый класс так называемых приводов постоянной скорости (ППС). В автономных системах с ППС получение стабильной частоты достигается путём воздействия на механическую часть установки. ППС является достаточно сложной системой, его применение ограничено громоздкостью, сложностью изготовления, низким быстродействием и надёжностью.
В настоящее время уделяется внимание автономным энергоблокам с синхронными генераторами и коллекторными машинами, но такие системы не в полной мере удовлетворяют все возрастающим требованиям к качеству и надежности, к сроку службы, статическим и динамическим показателям автономной системе электроснабжения.
Из числа возможных систем электроснабжения стабильной частоты особое значение имеют машинно-вентильные системы. Вопросами разработки, расчета, конструирования и исследования различных вариантов таких систем посвящено значительное количество работ. Хорошо известны в этой области работы А. И. Бертинова, И. Я. Бернштейна, Д. Э. Брускина, М. М. Ботвинника, Ю. М. Быкова, И. П. Исаева, Ю. М. Инькова, М.М. Красношапки, Ш. С. Ройза, Г. А. Сипайлова, А. Б. Цукублина, Г.С. Мыцыка, В. М. Кузьмина, В.И. Радина, R. L. Witzke, J.V. Kresser, H. J. Allison, R. Ramakumar, L.J. Stratton, W. L. Hughes, и др.
К числу наиболее перспективных машинно-вентильных систем стабильной частоты относятся источники с предварительным формированием кривой напряжения в электромашинном генераторе и прямоугольном законом управления преобразователем частоты. Такие источники стабильной частоты имеют несколько усложненную схему электромашинной части, но исследователи отмечают простую схему управления вентильным преобразователем, высокое качество выходного напряжения и динамические показатели.
В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки новых типов автономных машинно-вентильных источников стабильной частоты, обеспечивающих высокое качество выходного напряжения при минимальных размерах и массе системы электроснабжения.
Целью работы является разработка и исследование трехфазного автономного источника электропитания стабильной частоты для автономных систем электроснабжения.
Методика исследования. Научные исследования в диссертационной работе основывались на применении методов теории электромеханического преобразования энергии, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления. При решении задач исследования динамических режимов систем, определения структуры и параметров предложенных моделей использовались методы цифрового моделирования, на основе пакета Matlab/SimPowerSystems. Экспериментальные исследования проводились на изготовленных автором макетных образцах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработано новое техническое решение построения трехфазного источника напряжения стабильной частоты для автономных систем энергоснабжения, обеспечивающее высокое качество выходного напряжения в широком диапазоне изменения частоты вращения приводного вала;
создана математическая модель источника, описывающая многообмоточную, многофазную машину, учитывающая особенности работы вентильного преобразователя, как в однофазном, так и в трехфазном режимах работы;
проведены теоретические и экспериментальные исследования трехфазного автономного источника стабильной частоты;
в результате теоретических исследований выработаны новые рекомендации по проектированию трехфазных машинно-вентильных автономных источников энергоснабжения стабильной частоты.
Основные положения, выносимые на защиту:
новое техническое решение построения автономного источника переменного напряжения стабильной частоты;
математическая модель автономного источника переменного напряжения стабильной частоты на основе использования интегрированной программной среды Matlab;
результаты теоретических исследований автономного источника;
макетный образец трехфазного автономного источника электропитания стабильной частоты;
результаты экспериментальных исследований макетных образцов.
Практическая ценность работы:
разработано и исследовано новое техническое решение автономного источника электроснабжения стабильной частоты обеспечивающее высокое качество выходного напряжения и высокие эксплуатационные показатели;
разработаны рекомендации по выбору параметров генератора, при которых автономный источник имеет высокие технико-экономические показатели и высокое качество выходного напряжения;
разработана математическая модель, учитывающая особенности источников электроснабжения данного типа и позволяющая исследовать работу источника в различных режимах;
предложены и реализованы схемы статорных и роторных совмещенных обмоток генератора;
создан и испытан макетный образец источника для проведения экспериментальных исследований режимов работы трехфазного машинно-вентильного источника с электромашинным формированием кривой выходного напряжения;
определены соотношения между токами, напряжениями и мощностями в отдельных элементах системы и основные величины характеризующих работу источника, которые могут быть использованы в качестве исходной базы для расчета и проектирования источников с электромашинным формированием выходного напряжения генератора;
Реализация работы осуществлена в рамках научного направления кафедры электромеханики ГОУВПО «КнАГТУ», «Разработка и исследование систем децентрализованного энергообеспечения на основе нетрадиционных электромеханических преобразователей энергии». Результаты работы переданы в форме технической документации и методик расчетов на ЗАО «Электротехника-БирЗСТ», г. Биробиджан для использования при разработке, проектирования и подготовки производства новых типов изделий. Результаты работы внедрены в учебный процесс на электротехническом факультете КнАГТУ по направлению 140601 – «Электромеханика».
Апробация работы. Основное содержание и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами» (г. Санкт-Петербург, 2007г.); всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (г. Комсомольск-на-Амуре 2007г.); научно-технических конференциях аспирантов и студентов КнАГТУ (2007-2008г.).
Публикации. По результатам исследований, отраженных в диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе три в изданиях рекомендованных ВАК, а так же патент РФ на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 193 страницах машинописного текста, списка литературы из 130 наименований и 2 приложений. В работе содержится 161 рисунок, 14 таблиц.
